EP2705541A2 - Photodetektor für ultraviolette strahlung mit hoher empfindlichkeit und geringem dunkelstrom - Google Patents

Photodetektor für ultraviolette strahlung mit hoher empfindlichkeit und geringem dunkelstrom

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EP2705541A2
EP2705541A2 EP12723394.8A EP12723394A EP2705541A2 EP 2705541 A2 EP2705541 A2 EP 2705541A2 EP 12723394 A EP12723394 A EP 12723394A EP 2705541 A2 EP2705541 A2 EP 2705541A2
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EP
European Patent Office
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fingers
layer
contact
cover layer
electrode structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12723394.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andrea Knigge
Markus Weyers
Hans-Joachim Würfl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
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Filing date
Publication date
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a photodetector, in particular a UV photodetector with a high sensitivity and a low dark current.
  • UV radiation can be detected by light absorption in the semiconductor.
  • Semiconductor-based UV photodetectors can be used as a photoconductor, as a Schottky photodiode or as a metal-semiconductor-metal detector
  • MSM detector (hereinafter also MSM detector) may be formed.
  • a typical photodetector consists of a layer of a suitable one
  • a photoconductor consists of a suitable semiconductor layer, such as aluminum gallium nitride, and two ohmic contacts to which a voltage is applied.
  • the voltage creates an electric field and, depending on the conductivity of the semiconductor layer, a current can flow between the contacts. If the conductivity of the semiconductor layer is increased by illumination due to photogenerated charge carriers, an additional photocurrent can be measured.
  • the entire area between the contacts contributes to the total current.
  • the paths to the contacts are relatively far, so that on the one hand, the response times are relatively long, on the other hand due to runtime differences of the two types of charge carriers profit mechanisms can occur. The latter enable quantum yield values of over 100%.
  • the photoconductor offers a very high sensitivity compared to other types of detectors, but no linear behavior of the sensitivity.
  • thermally generated charge carriers also experience the gain mechanism, which is why photoconductors disadvantageously have a high dark current.
  • the dark current disadvantageously not reduced by potential barriers, for example at the interface metal / semiconductor.
  • a Schottky photodiode consists of a semiconductor layer with a large-area Schottky contact and an ohmic contact.
  • the space charge zone lies directly under the Schottky contact, which is why it must be semitransparent.
  • Semitransparent metal contact leads disadvantageously to a weakening of the signal to be measured by absorption. Furthermore, the contact by energization can increasingly get an ohmic character, which leads to degradation of the device (increase in the leakage current).
  • the necessity of a buried doped layer as a backside electrode in these detectors requires a complex process with exposure and contacting of this layer whose limited conductivity also limits the dimensions of the components. With regard to the parameters bandwidth, linearity and dark current or contrast Schottky photodiodes show a similar behavior as MSM detectors.
  • MSM detectors consist of a semiconductor layer with two intermeshing Schottky contacts. A voltage is applied to the contacts such that one of the Schottky contacts is under reverse voltage and the other Schottky contact is under
  • the metal contacts become in a finger structure
  • the distances of the fingers and the applied voltage must be chosen so that as far as possible the entire area between the contacts acts as a detector surface, i. all electron-hole pairs are generated within the diffusion length of the space charge zone so that they can contribute to the photocurrent.
  • the shading metal fingers disadvantageously reduce the photosensitivity. Furthermore, a degradation of the metallic contacts on the semiconductor (for example, GaN as an absorber) with increasing ohmic share can not be excluded. Also, an exposed semiconductor surface (eg GaN) under UV irradiation can lead to increased leakage currents along the surface and thus to increased dark currents.
  • the semiconductor for example, GaN as an absorber
  • UV photodetector according to the invention have a high sensitivity and a low dark current. Furthermore, the UV photodetector according to the invention should be inexpensive to produce. In addition, the UV photodetector according to the invention should have a high bandwidth or a high detectivity in order to
  • the idea of the present invention is an MSM photodetector
  • a barrier layer (hereinafter referred to as cover layer) is formed, wherein between the cover layer and the absorber layer is a conductive channel created by a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • 2DEG two-dimensional electron gas
  • the cover layer must have a higher content of aluminum than the underlying absorber layer.
  • the conductive layer stack of absorber layer and Cover layer structured finger-shaped, wherein the conductivity between the fingers must be reduced in order to ensure low dark currents. Since the conductive channel is formed in the boundary region between the absorber layer and the cover layer, a finger-shaped structuring of the layer stack does not necessarily mean that both layers (absorber layer and cover layer) must be structured in finger-shaped fashion. Rather, it is sufficient that only the cover layer is structured finger-shaped. It is alternatively possible to pattern both layers (absorber layer and cover layer) in a finger-shaped manner, wherein the absorber layer in this case is preferably structured only near the surface in fingers.
  • the absorber layer is arranged between the cover layer and the substrate, that is, the cover layer is arranged above the absorber layer.
  • the cover layer is arranged between the absorber layer and the substrate, wherein the cover layer is arranged in such an embodiment under the absorber layer.
  • Absorber layer arranged can therefore mean that the cover layer the
  • the structuring of the two-dimensional electron gas can preferably take place by removal of the cover layer (etching) or by suitable flat ion implantation, whereby the conductivity of the 2DEG in the area between the fingers is destroyed or reduced sufficiently.
  • the 2DEG is used as a supply line and completely dispenses with metal contact in the area of the fingers (detection area). Thus all shading effects are suppressed.
  • the principle according to the invention of the supply line via a 2DEG can also be transmitted for longer wavelengths to photodetectors with an absorber layer of InGaN instead of GaN, for shorter wavelengths also to photodetectors with an absorber layer of AIGaN instead of GaN.
  • the cover layer then preferably also consists of AIGaN, but then it must have a higher Al content than the absorber layer.
  • All embodiments according to the invention preferably have a UV-transparent protective layer (preferably AIO x ) for stabilizing the surface by avoiding contact with oxidizing media (air) and for better coupling in at a working wavelength.
  • a UV-transparent protective layer preferably AIO x
  • the optical thickness of the protective layer must be adapted to the desired operating wavelength.
  • the detector according to the invention comprises a carrier substrate; an absorber layer of a first semiconductive material; a first (preferably comb-shaped) electrode structure having a plurality of fingers, a second (preferably comb-shaped) electrode structure having a plurality of fingers, wherein the fingers of the first electrode structure and the fingers of the second electrode structure non-contact mesh, and a first contact and a second contact, wherein the first contact is spaced from the second contact, wherein the fingers of the first electrode structure and the fingers of the second electrode structure each have a cover layer of a second semiconductive material and the cover layer is disposed on the absorber layer and the
  • Absorber layer contacted directly in the region of the fingers, and wherein the first semiconductive material and the second semiconductive material are formed such that forms a two-dimensional electron gas at the boundary layer between the absorber layer and the cover layer in the region of the fingers.
  • a 2DEG in the sense of the present invention has an electron mobility greater than 100 cm 2 / Vs, more preferably greater than 500 cm 2 / Vs, even more preferably greater than 1000 cm 2 / Vs and even more preferably greater than 1200 cm 2 / Vs. Furthermore, a 2DEG has a
  • Layer concentration of free electrons greater than 10 10 cm “2 , more preferably greater than 10 11 cm “ 2 , even more preferably greater than 10 12 cm “2 and even more preferably greater than 10 13 cm “ 2 .
  • the areas between the fingers are designed such that there is no 2DEG. This can be achieved by the one hand
  • Electron mobility is less than 100 cm 2 / Vs, more preferably less than 50 cm 2 / Vs, even more preferably less than 30 cm 2 / Vs and even more preferably less than 10 cm 2 / Vs.
  • the 2DEG can also be eliminated by removing the capping layer and, associated therewith, the polarization charges. For this, the layer concentration of free electrons to less than 10 11 cm "2, preferably less than 10 10 cm" 2 are lowered.
  • the absorber layer is exposed from the cover layer in the area between the fingers. This can be done in a preferred variant by etching the cover layer in the area between the fingers, wherein the 2DEG is removed.
  • the cover layer covers the absorber layer both in the region between the fingers and in the region of the fingers, the cover layer being treated by (flat) ion implantation such that the mobility at the interface sufficiently reduced between cover layer and absorber layer and thus the conductive channel is destroyed there.
  • the absorber layer is formed of gallium nitride, indium gallium nitride or aluminum gallium nitride.
  • the cover layer is made
  • the aluminum content of the cover layer must be higher than the aluminum content of the absorber.
  • a protective layer is provided which completely covers the first electrode structure and the second electrode structure.
  • the protective layer is applied only between the fingers (if they have a metal).
  • the protective layer is formed of alumina, silica or silicon nitride or combinations of these materials.
  • the first contact and / or the second contact to a metal. More preferably, the first contact and / or the second contact consist of different metal layers or a metal alloy.
  • the first contact and / or the second contact are formed as an ohmic contact, i. the work function of the metal of the contact is smaller than that
  • the fingers have a length between 30 and 1000 ⁇ , more preferably between 50 and 150 ⁇ .
  • the fingers have a width between 2 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ on.
  • the distance between the fingers between 2 and 15 ⁇ , more preferably between 5 and 8 ⁇ .
  • the thickness of the absorber layer is between 0.1 and 10 ⁇ , more preferably between 1 .0 and 5 ⁇ .
  • the thickness of the cover layer is between 2 and 100 nm, more preferably between 10 and 30 nm.
  • the number of fingers per electrode structure according to a preferred embodiment of the invention is between 2 and 50, more preferably between 3 and 10.
  • the fingers of the first and second electrode structures have no metal, whereby shadowing effects can be avoided particularly efficiently.
  • the absorber layer extends over the entire region of the first and second electrode structure and the first and second contacts.
  • the absorber layer, the cover layer (and optionally the protective layer) are formed as planar layers with a uniform layer thickness.
  • the absorber layer and / or the cover layer are formed from undoped semiconducting materials.
  • the preparation of the UV detectors according to the invention is preferably carried out by forming an epitaxial structure: substrate, optionally buffer layer, absorber layer
  • topcoat preferably AIGaN
  • the formation of the epitaxial structure and the structuring steps can be combined with the simultaneous formation of further electronic components (integration electronics and optical detection possible, optical switches).
  • the structuring of the cover layer to form the fingers or (comb-shaped) finger structure is effected by etching or by implantation (preferably by means of a mask). In both cases, a destruction of the conductivity and thus of the 2DEG between the fingers is realized, whereby the (conductive) finger structure is formed in the untreated areas.
  • a whole-area insulator (protective layer) is deposited.
  • the insulator provides protection against environmental influences. Furthermore, there is the possibility of designing as an antireflection coating, i. Increasing the sensitivity by better coupling of the light to be detected.
  • the insulator may be applied prior to implantation to avoid contamination of the surface after implantation.
  • the advantage of the 2DEG photodetector according to the invention over conventional MSM detectors is that there is no shadowing of the incident light by metal fingers and thus a large active area, i. a high quantum efficiency can be realized. Furthermore, the 2DEG has high electron mobility, i. The 2DEG photodetector according to the invention has a high bandwidth.
  • an MSM detector is developed while retaining metal fingers to the effect that between the
  • a cover layer of a semiconductive material is arranged, wherein the band gap of the semiconductive material of the cover layer is higher than the band gap of the semiconducting material of the absorber layer, so that a dark current can be reduced efficiently.
  • the detector according to the invention comprises a carrier substrate; an absorber layer of a first semiconductive material; a first (preferably comb-shaped) electrode structure having a plurality of fingers, a second (preferably comb-shaped) electrode structure having a plurality of fingers, wherein the fingers of the first electrode structure and the fingers of the second electrode structure non-contact mesh, a first contact and a second contact, wherein the first contact is spaced from the second contact, and wherein the contacts and the fingers comprise a metal or are formed by a metal or a metal alloy, wherein between the fingers and the
  • Absorber layer is a cover layer of a second semiconductive material is arranged, wherein the cover layer directly contacts the absorber layer in the region of the fingers, and the first semiconductive material has a smaller band gap than the second semiconductive material, wherein the absorber layer of the cover layer in the area between the fingers exposed , or the cover layer alternatively (in the case of an implantation) covers the absorber layer both in the area between the fingers and in the region of the fingers, wherein the cover layer (by flat ion implantation) is designed such that the conductivity in the cover layer and in the region between cover layer and absorber layer is destroyed or sufficiently reduced, that is less than 100 cm 2 / Vs.
  • the first contact (and the associated electrode structure) and / or the second contact (and the associated electrode structure) are arranged directly on the cover layer and formed as a Schottky contact.
  • the first contact (and the associated electrode structure) and / or the second contact (and the associated electrode structure) are arranged directly on the cover layer and formed as a Schottky contact.
  • Embodiment variant is one of the contacts (and the associated electrode structure) as a Schottky contact and the contact (and the associated electrode structure) formed as an ohmic contact.
  • the absorber layer extends over the entire region of the first and second electrode structure and the first and second contacts.
  • the absorber layer is formed of gallium nitride, indium gallium nitride or aluminum gallium nitride.
  • the cover layer is made
  • the first contact and / or the second contact to a metal More preferably, the first contact and / or the second contact are made of a metal or a metal alloy.
  • the fingers have a length between 30 and 1000 ⁇ , more preferably between 50 and 150 ⁇ .
  • the fingers have a width between 2 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ on.
  • the distance between the fingers between 2 and 15 ⁇ , more preferably between 5 and 8 ⁇ .
  • the thickness of the absorber layer is between 0.1 and 10 ⁇ , more preferably between 1 .0 and 5 ⁇ .
  • the thickness of the cover layer is between 2 and 100 nm, more preferably between 10 and 30 nm.
  • the number of fingers per electrode structure according to a preferred embodiment of the invention is between 2 and 50, more preferably between 3 and 10.
  • the absorber layer extends over the entire region of the first and second electrode structure and the first and second contacts.
  • the absorber layer, the cover layer (and optionally the protective layer) are formed as planar layers with a uniform layer thickness.
  • the absorber layer and / or the cover layer are formed from undoped semiconducting materials.
  • FIG. 1 is a plan view of a UV photodetector according to the invention
  • FIG. 2 a shows the UV photodetector of FIG. 1 structured by etching.
  • FIG. 2b shows the UV photodetector of FIG. 1 structured by implantation
  • FIG. 3 is a plan view of a further design of a UV according to the invention.
  • FIG. 5 shows the photocurrent of an exemplary embodiment of that shown in FIG.
  • Detector as a function of the applied voltage, 6 shows the temporal resolution of the photocurrent of the embodiment of the detector shown in FIG. 3 with optical switching at 10 Hz at a wavelength of 345 nm, FIG.
  • Fig. 7 is a plan view of a UV photodetector according to the invention according to
  • FIG. 8 a shows the UV photodetector of FIG. 7 structured by etching.
  • FIG. 8b shows the UV photodetector of FIG. 7 structured by implantation.
  • Top layer in a schematic sectional representation along the section line A-A '.
  • Figures 1, 2a and 2b show an embodiment of a UV photodetector according to the invention.
  • a nucleation layer (not shown) having a thickness of 50 nm is deposited.
  • an undoped 1 .6 ⁇ thick GaN absorber layer 12 is applied.
  • a 20 nm thick cover layer 30 of undoped AIGaN having an aluminum content of 25% is applied to the absorber layer 12.
  • All layers are grown in the present embodiment by means of organometallic gas phase epitaxy.
  • the contacts 26, 28 are formed for example of titanium, aluminum or a titanium-aluminum alloy.
  • the AnAuthians the fingers 18, 24 through the metal-containing contacts 26, 28 takes place only in Au touch Scheme the fingers 18, 24, e.g. in the region of the rails 16, 22 (see FIG. 3).
  • the fingers 18, 24 have a length of 70 ⁇ and a width between 10 and 20 ⁇ . The distance between adjacent fingers is between 5 and 8 ⁇ .
  • the additional finger-shaped structured cover layer 30 produces a 2DEG in the boundary layer between the absorber layer 12 and the cover layer 30, which realizes a conductive channel, as a result of which the use of metal in the fingers 18, 24
  • the finger-shaped structuring of the cover layer 30 may be created by etching in the areas between the fingers ( Figure 2a) or by implantation in the areas between the fingers ( Figure 2b). With in other words, the 2DEG is present only in the fingers but not between the fingers. Furthermore, a protective layer 32 is provided which covers the layers 12 and 30 in the entire photosensitive area.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the UV photodetector according to the invention. While the metal contacts 26, 28 nearly completely cover the rails in the embodiment of FIG. 1, the rails 16, 22 in the embodiment of FIG. 3 are not covered by the metal contacts 26, 28. Furthermore, it is not absolutely necessary to arrange the metal contacts 26, 28 symmetrically with respect to the electrode structures 14, 20.
  • the layer thicknesses and materials correspond to those of FIG. 1.
  • the fingers 18, 24 have a length of 70 ⁇ .
  • the fingers 18 of the first electrode structure have a width of 20 ⁇ m
  • the fingers 24 of the second electrode structure have a width of 10 ⁇ m.
  • the distance between adjacent fingers is 5 ⁇ and the distance between the finger ends and the rail of the other
  • Electrode structure is 8 ⁇ .
  • the photosensitive area has an area of 160 ⁇ x 100 ⁇ .
  • the 2DEG forming at the interface between the absorber layer 12 and the cover layer 30 has a charge carrier density of 8 * 10 12 cm -2 and an electron mobility of 1800 cm 2 / Vs.
  • FIG. 4 shows the sensitivity of the detector shown in FIG. 3 as a function of the wavelength at an optical input power of 100 ⁇ W / cm 2 . It can be seen that the UV photodetector has a maximum sensitivity at 312 nm (maximum
  • Sensitivity is 70 A / mW for a voltage of 100 V) and one
  • the contrast of the sensitivity to UV radiation to the sensitivity to visible VIS radiation is 10 4 .
  • FIG. 5 shows the photocurrent of the detector shown in FIG. 3 as a function of the applied voltage for different optical input powers between 4 ⁇ W / cm 2 and 100 ⁇ W / cm 2 at a wavelength of 355 nm
  • Photocurrent occurs at 80V, optical switching of the detector to a particular photocurrent can be adjusted at higher voltages through the optical input power. Since the dark current in the measuring range shown is less than 50 nA, a UV signal with a contrast of 5 orders of magnitude can be detected.
  • FIG. 6 shows the temporal resolution of the photocurrent of the detector shown in Fig. 3 with optical switching at 10 Hz at a wavelength of 345 nm.
  • the response time of the photodetector is about 6 ms.
  • FIGS. 7, 8a and 8b show a UV photodetector according to the invention according to an alternative embodiment. Whereas the UV photodetectors of FIGS.
  • an MSM detector is developed while retaining metal fingers in such a way that between the absorber layer 12 and the metal fingers 34 (That is, the metal is not only in the region of the contacts 26, 28, but also in the region of the fingers 18, 24), a cover layer 30 is disposed of a semiconductive material, said cover layer 30 is patterned finger-shaped.
  • the patterning of the capping layer 30 may be created by etching in the areas between the fingers ( Figure 8a) or by implantation in the areas between the fingers ( Figure 8b).
  • the cover layer 30 is present only in the fingers, but not between the fingers. Therefore, the fingers in this case consist of the layers 12, 30 and 34.
  • a protective layer 32 is provided which covers the layers 12 and 30 in the entire photosensitive area.
  • the metal layer 34 of the fingers 18, 24 need not necessarily be covered by the protective layer 32.
  • the finger-shaped structuring of the cover layer 30 destroys or sufficiently reduces the conductivity in the cover layer 30 and in the region between the cover layer 30 and the absorber layer 12 (between the fingers 18, 24), so that the dark current of the UV photodetector is reduced in comparison with a conventional one MSM detector (without covering layer between the absorber layer and the metal fingers) can advantageously be reduced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen UV-Photodetektor mit hoher Empfindlichkeit und einem geringen Dunkelstrom. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen UV-Photodetektor anzugeben, der eine hohe Empfindlichkeit und einen geringen Dunkelstrom aufweist. Erfindungsgemäß weisen die Finger (18) der ersten Elektrodenstruktur (14) und die Finger (24) der zweiten Elektrodenstruktur (20) eine Deckschicht (30) aus einem zweiten halbleitenden Material auf, wobei die Deckschicht (30) auf der Absorberschicht (12) angeordnet ist und die Absorberschicht (12) im Bereich der Finger (18, 24) direkt kontaktiert, und das erste halbleitende Material und das zweite halbleitende Material derart ausgebildet sind, dass sich an der Grenzschicht zwischen der Absorberschicht (12) und der Deckschicht (30) im Bereich der Finger (18, 24) ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) ausbildet.

Description

Photodetektor
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor, insbesondere einen UV- Photodetektor mit einer hohen Empfindlichkeit und einem geringen Dunkelstrom.
Stand der Technik
Ultraviolette Strahlung (nachfolgend auch UV-Strahlung) kann durch Lichtabsorption im Halbleiter nachgewiesen werden. Halbleiterbasierte UV-Photodetektoren können als Photoleiter, als Schottky-Photodiode oder als Metall-Halbleiter-Metall-Detektor
(nachfolgend auch MSM-Detektor) ausgebildet sein.
Ein typischer Photodetektor besteht aus einer Schicht eines geeigneten
Halbleitermaterials, das auf ein Substrat gewachsen wurde. Weiterhin werden Kontakte angebracht, die mit einem Auslese-Schaltkreis verbunden werden können. Da die absorbierten Photonen in der Regel nur in der Nähe der Kontakte oder im Bereich zwischen den Kontakten nachgewiesen werden können, werden Photodetektoren in vielen Fällen von oben beleuchtet. Ein inhärenter Nachteil eines solchen Detektors ist jedoch, dass der Bereich unter den herkömmlicherweise verwendeten Metallkontakten abgeschattet wird.
Ein Photoleiter besteht aus einer geeigneten Halbleiterschicht, beispielsweise Aluminium- Gallium-Nitrid, und zwei ohmschen Kontakten, an die eine Spannung angelegt wird. Durch die Spannung entsteht ein elektrisches Feld und es kann je nach Leitfähigkeit der Halbleiterschicht zwischen den Kontakten ein Strom fließen. Wird die Leitfähigkeit der Halbleiterschicht durch Beleuchtung aufgrund photogenerierter Ladungsträger erhöht, lässt sich ein zusätzlicher Photostrom messen. Im Photoleiter trägt das gesamte Gebiet zwischen den Kontakten zum Gesamtstrom bei. Die Wege bis zu den Kontakten sind relativ weit, so dass zum einen die Antwortzeiten relativ lang sind, zum anderen wegen Laufzeitunterschieden der beiden Ladungsträgerarten Gewinnmechanismen auftreten können. Letztere ermöglichen Quantenausbeutewerte von über 100%. Aus diesem Grund bietet der Photoleiter zwar eine sehr hohe Empfindlichkeit im Vergleich zu anderen Detektorarten, aber kein lineares Verhalten der Empfindlichkeit. Außerdem erfahren auch thermisch generierte Ladungsträger den Gewinnmechanismus, weshalb Photoleiter nachteilhafterweise einen hohen Dunkelstrom aufweisen. Weiterhin wird der Dunkelstrom nachteilhafterweise nicht durch Potentialbarrieren z.B. an der Grenzfläche Metall/Halbleiter reduziert.
Eine Schottky-Photodiode besteht aus einer Halbleiterschicht mit einem großflächigen Schottky-Kontakt und einem ohmschen Kontakt. Hier liegt die Raumladungszone direkt unter dem Schottky-Kontakt, weshalb dieser semitransparent sein muss. Der
semitransparente Metallkontakt führt nachteilhafterweise zu einer Abschwächung des zu messenden Signals durch Absorption. Weiterhin kann der Kontakt durch Energiezufuhr zunehmend einen ohmschen Charakter erhalten, was zur Degradation des Bauelements führt (Erhöhung des Leckstroms). Die Notwendigkeit einer vergrabenen dotierten Schicht als rückseitige Elektrode erfordert bei diesen Detektoren einen aufwändigen Prozess mit Freilegung und Kontaktierung dieser Schicht, deren begrenzte Leitfähigkeit zudem die Abmessungen der Bauelemente beschränkt. Bezüglich der Parameter Bandbreite, Linearität und Dunkelstrom bzw. Kontrast zeigen Schottky-Photodioden ein ähnliches Verhalten wie MSM-Detektoren.
MSM-Detektoren bestehen aus einer Halbleiterschicht mit zwei ineinandergreifenden Schottky-Kontakten. An die Kontakte wird eine Spannung angelegt, sodass einer der Schottky-Kontakte unter Sperrspannung und der andere Schottky-Kontakt unter
Durchlassspannung stehen. Der Nachweis der Photonen erfolgt hier nach dem gleichen Prinzip wie bei einem p-n-Übergang über die Trennung der Elektron-Loch-Paare in der Raumladungszone und dem daraus resultierenden Photostrom. Die Breite der
Raumladungszone wird mit zunehmender Sperrspannung größer, weshalb sich die Eigenschaften wie Bandbreite und Empfindlichkeit über die angelegte Spannung variieren lassen. Um eine maximale aktive Detektorfläche und somit eine höchstmögliche
Empfindlichkeit zu erreichen, werden die Metallkontakte in einer Fingerstruktur
angeordnet. Dabei müssen die Abstände der Finger und die angelegte Spannung so gewählt werden, dass möglichst der gesamte Bereich zwischen den Kontakten als Detektorfläche wirkt, d.h. alle Elektron-Loch-Paare innerhalb der Diffusionslänge der Raumladungszone erzeugt werden, damit sie zum Photostrom beitragen können.
Weitere Photodetektoren sind aus Nabet, b.„A Heterojunction Metal-Semiconductor-Metal Photodetector", IEEE Photonics Technology Letters, 1997, Vol. 9, No. 2. S. 223-225, US 7 705 415 B1 und EP 2 023 403 A1 bekannt.
Bei herkömmlichen MSM-Photodetektoren reduzieren die abschattenden Metallfinger nachteilhafterweise die Photoempfindlichkeit. Weiterhin kann eine Degradation der metallischen Kontakte auf dem Halbleiter (beispielsweise GaN als Absorber) mit zunehmendem ohmschen Anteil nicht ausgeschlossen werden. Auch kann eine freiliegende Halbleiter-Oberfläche (beispielsweise GaN) unter UV-Bestrahlung zu erhöhten Leckströmen entlang der Oberfläche und damit zu erhöhten Dunkelströmen führen.
Weiterhin ist es aus Jiang et al.„Visible-Blind Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors Based on Undoped AIGaN / GaN High Electron Mobility Heterostructure", Jpn. J. Appl. Phys. 43, L683-L685 (2004) bekannt, zwischen der Halbleiter-Absorber-Schicht und den Metallkontakten eine zusätzliche AIGaN-Schicht einzuführen, die eine stabile Barriere zum Halbleiter (Absorber) bildet. Der Metallkontakt wird dann auf dieser AIGaN-Schicht gebildet. Die Empfindlichkeit eines solchen MSM-Detektors ist jedoch weiterhin aufgrund der Abschattungseffekte durch die Metallfinger stark begrenzt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen UV-Photodetektor anzugeben, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll der
erfindungsgemäße UV-Photodetektor eine hohe Empfindlichkeit und einen geringen Dunkelstrom aufweisen. Weiterhin soll der erfindungsgemäße UV-Photodetektor kostengünstig herstellbar sein. Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße UV- Photodetektor eine hohe Bandbreite bzw. eine hohe Detektivität aufweisen, um
beispielsweise in der optischen Kommunikation eingesetzt werden zu können.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 5 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen MSM-Photodetektor
dahingehend weiterzubilden, dass auf der Absorberschicht, die vorzugsweise aus GaN (Gallium-Nitrid) oder AIGaN (Aluminium-Gallium-Nitrid) besteht, eine Barriereschicht (nachfolgend auch als Deckschicht bezeichnet) ausgebildet wird, wobei zwischen der Deckschicht und der Absorberschicht ein leitfähiger Kanal durch ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) entsteht. Dazu muss die Deckschicht einen höheren Gehalt an Aluminium aufweisen, als die darunter liegende Absorberschicht. Wenn die Schichten die üblicherweise benutzte metallpolare c-Achsen-Orientierung aufweisen, dann sammeln sich durch die Überlagerung von spontaner und piezoelektrischer Polarisation an der Grenzfläche zwischen Absorber und Deckschicht Elektronen an, die den leitfähigen Kanal bilden. Erfindungsgemäß wird der leitfähige Schichtenstapel aus Absorberschicht und Deckschicht fingerförmig strukturiert, wobei die Leitfähigkeit zwischen den Fingern reduziert werden muss, um geringe Dunkelströme sicherzustellen. Da der leitfähige Kanal im Grenzbereich zwischen Absorberschicht und Deckschicht entsteht, bedeutet eine fingerförmige Strukturierung des Schichtenstapels nicht notwendigerweise, dass beide Schichten (Absorberschicht und Deckschicht) fingerförmig strukturiert sein müssen. Es reicht vielmehr aus, dass lediglich die Deckschicht fingerförmig strukturiert ist. Es ist alternativ möglich, beide Schichten (Absorberschicht und Deckschicht) fingerförmig zu strukturieren, wobei die Absorberschicht in diesem Fall vorzugsweise nur oberflächennah in Finger strukturiert wird.
Grundsätzlich ist es bevorzugt, dass die Absorberschicht zwischen der Deckschicht und dem Substrat angeordnet ist, also die Deckschicht über der Absorberschicht angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Deckschicht zwischen der Absorberschicht und dem Substrat angeordnet ist, wobei die Deckschicht in einer solchen Ausführungsvariante unter der Absorberschicht angeordnet ist. Das Merkmal„Deckschicht auf der
Absorberschicht angeordnet" kann also bedeuten, dass die Deckschicht die
Absorberschicht von oben oder von unten her bedeckt.
Die Strukturierung des zweidimensionalen Elektronengases kann bevorzugt durch Entfernung der Deckschicht (Ätzung) oder durch geeignete flache Ionenimplantation erfolgen, wobei dadurch die Leitfähigkeit des 2DEG im Bereich zwischen den Fingern zerstört bzw. ausreichend herabgesetzt wird.
In der bevorzugten Variante der Erfindung wird das 2DEG als Zuleitung verwandt und auf einen Metallkontakt im Bereich der Finger (Detektionsbereich) vollständig verzichtet. Damit werden sämtliche Abschattungseffekte unterdrückt.
Das erfindungsgemäße Prinzip der Zuleitung über ein 2DEG lässt sich für längere Wellenlängen auch auf Photodetektoren mit einer Absorberschicht aus InGaN statt GaN, für kürzere Wellenlängen auch auf Photodetektoren mit einer Absorberschicht aus AIGaN statt GaN übertragen. Im letzteren Fall besteht die Deckschicht dann vorzugsweise auch aus AIGaN, muss jedoch dann einen höheren AI-Gehalt als die Absorberschicht aufweisen.
Alle erfindungsgemäßen Bauformen weisen vorzugsweise eine im UV transparente Schutzschicht (vorzugsweise AIOx) zur Stabilisierung der Oberfläche durch Vermeidung von Kontakt mit oxidierenden Medien (Luft) und zur besseren Einkopplung bei einer Arbeitswellenlänge auf. Dabei ist die optische Dicke der Schutzschicht an die gewünschte Arbeitswellenlänge anzupassen. Der erfindungsgemäße Detektor umfasst gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Trägersubstrat; eine Absorberschicht aus einem ersten halbleitenden Material; eine erste (vorzugsweise kammförmig ausgebildete) Elektrodenstruktur mit einer Vielzahl von Fingern, eine zweite (vorzugsweise kammförmig) ausgebildete Elektrodenstruktur mit einer Vielzahl von Fingern, wobei die Finger der ersten Elektrodenstruktur und die Finger der zweiten Elektrodenstruktur berührungslos ineinander greifen, sowie einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, wobei der erste Kontakt vom zweiten Kontakt beabstandet ist, wobei die Finger der ersten Elektrodenstruktur und die Finger der zweiten Elektrodenstruktur jeweils eine Deckschicht aus einem zweiten halbleitenden Material aufweisen und die Deckschicht auf der Absorberschicht angeordnet ist und die
Absorberschicht im Bereich der Finger direkt kontaktiert, und wobei das erste halbleitende Material und das zweite halbleitende Material derart ausgebildet sind, dass sich an der Grenzschicht zwischen der Absorberschicht und der Deckschicht im Bereich der Finger ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet.
Die Idee besteht also darin, die Finger durch zwei halbleitende Schichten
(Absorberschicht und Deckschicht) auszubilden, wobei die halbleitenden Materialien derart gewählt sind, dass ein leitfähiger Kanal (2DEG) entsteht. Ein 2DEG im Sinne der vorliegenden Erfindung weist eine Elektronenbeweglichkeit größer als 100 cm2/Vs, bevorzugter größer als 500 cm2/Vs, noch bevorzugter größer als 1000 cm2/Vs und noch bevorzugter größer als 1200 cm2/Vs auf. Weiterhin weist ein 2DEG eine
Schichtkonzentration an freien Elektronen größer 1010 cm"2, bevorzugter größer 1011 cm"2, noch bevorzugter größer 1012 cm"2 und noch bevorzugter größer 1013 cm"2 auf.
Erfindungsgemäß sind die Bereiche zwischen den Fingern derart ausgestaltet, dass sich dort kein 2DEG befindet. Dies kann zum einen erreicht werden, indem die
Elektronenbeweglichkeit kleiner als 100 cm2/Vs, bevorzugter kleiner als 50 cm2/Vs, noch bevorzugter kleiner als 30 cm2/Vs und noch bevorzugter kleiner als 10 cm2/Vs ist.
Alternativ kann das 2DEG auch durch Entfernung der Deckschicht und damit verbunden der Polarisationsladungen beseitigt werden. Dazu muss die Schichtkonzentration an freien Elektronen auf kleiner 1011 cm"2, bevorzugt kleiner 1010 cm"2 abgesenkt werden.
Vorzugsweise ist die Absorberschicht von der Deckschicht im Bereich zwischen den Fingern freigelegt. Dies kann in einer bevorzugten Variante durch Ätzung der Deckschicht im Bereich zwischen den Fingern erfolgen, wobei das 2DEG entfernt wird. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Deckschicht die Absorberschicht sowohl im Bereich zwischen den Fingern als auch im Bereich der Finger überdeckt, wobei die Deckschicht durch (flache) Ionenimplantation derart behandelt wird, dass die Beweglichkeit an der Grenzfläche zwischen Deckschicht und Absorberschicht ausreichend herabgesetzt und damit der leitfähige Kanal dort zerstört wird.
Vorzugsweise ist die Absorberschicht aus Galliumnitrid, Indium-Galliumnitrid oder Aluminium-Galliumnitrid ausgebildet. Vorzugsweise ist die Deckschicht aus
Aluminiumgalliumnitrid ausgebildet. Der Aluminium-Gehalt der Deckschicht muss dabei höher sein als der Aluminium-Gehalt des Absorbers. Vorzugsweise ist eine Schutzschicht vorgesehen, die die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstruktur vollständig überdeckt. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Schutzschicht nur zwischen den Fingern (wenn diese ein Metall aufweisen) aufgebracht wird.
Vorzugsweise ist die Schutzschicht aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Kombinationen dieser Materialien ausgebildet. Vorzugsweise weisen der erste Kontakt und/oder der zweite Kontakt ein Metall auf. Noch bevorzugter bestehen der erste Kontakt und/oder der zweite Kontakt aus verschiedenen Metallschichten oder einer Metalllegierung.
Vorzugsweise sind der erste Kontakt und/oder der zweite Kontakt als ohmscher Kontakt ausgebildet, d.h. die Austrittsarbeit des Metalls des Kontakts ist kleiner als die
Austrittsarbeit des den Kontakt direkt kontaktierenden Halbleiters.
Vorzugsweise weisen die Finger eine Länge zwischen 30 und 1000 μηι, bevorzugter zwischen 50 und 150 μηι auf. Vorzugsweise weisen die Finger eine Breite zwischen 2 und 30 μηι, bevorzugter zwischen 10 und 20 μηι auf. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den Fingern zwischen 2 und 15 μηι, bevorzugter zwischen 5 und 8 μηι.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Absorberschicht zwischen 0.1 und 10 μηι, bevorzugter zwischen 1 .0 und 5 μηι. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Deckschicht zwischen 2 und 100 nm, bevorzugter zwischen 10 und 30 nm. Die Anzahl der Finger je Elektrodenstruktur beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung zwischen 2 und 50, bevorzugter zwischen 3 und 10.
Vorzugsweise weisen die Finger der ersten und zweiten Elektrodenstrukturen kein Metall auf, wodurch Abschattungseffekte besonders effizient vermieden werden können.
Vorzugsweise erstreckt sich die Absorberschicht über den gesamten Bereich der ersten und zweiten Elektrodenstruktur sowie des ersten und zweiten Kontakts. Vorzugsweise sind die Absorberschicht, die Decksicht (und ggf. die Schutzschicht) als planare Schichten mit uniformer Schichtdicke ausgebildet. Vorzugsweise sind die Absorberschicht und/oder die Deckschicht aus undotierten halbleitenden Materialien ausgebildet. Die Herstellung der erfindungsgemäßen UV-Detektoren erfolgt vorzugsweise durch Ausbilden einer Epitaxiestruktur: Substrat, ggf. Bufferschicht, Absorberschicht
(vorzugsweise GaN) und Deckschicht (vorzugsweise AIGaN). Das Ausbilden der Epitaxiestruktur sowie die Strukturierungsschritte sind mit der gleichzeitigen Ausbildung weiterer elektronischer Bauelementen kombinierbar (Integration Elektronik und optische Detektion möglich, optische Schalter). Die Strukturierung der Deckschicht zur Bildung der Finger bzw. (kammförmigen) Fingerstruktur erfolgt durch Ätzung oder durch Implantation (bevorzugt mittels Maske). In beiden Fällen wird eine Zerstörung der Leitfähigkeit und damit des 2DEG zwischen den Fingern realisiert, wodurch in den nicht behandelten Bereichen die (leitfähige) Fingerstruktur ausgebildet wird.
Die Ankontaktierung der Finger mit Metall erfolgt nur im (dem jeweiligen Kontakt zugewandten) Außenbereich der Finger, beispielsweise im Bereich der Schiene (sofern vorhanden).
Nachfolgend wird optional ein ganzflächiger Isolator (Schutzschicht) abgeschieden. Der Isolator bietet Schutz vor Umgebungseinflüssen. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Auslegung als Antireflexionsschicht, d.h. Erhöhung der Empfindlichkeit durch bessere Einkopplung des nachzuweisenden Lichts. Der Isolator kann vor der Implantation aufgebracht werden, um eine Kontamination der Oberfläche nach der Implantation zu vermeiden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen 2DEG-Photodetektors gegenüber herkömmlichen MSM-Detektoren besteht darin, dass keine Abschattung des einfallenden Lichts durch Metallfinger erfolgt und somit eine große aktive Fläche, d.h. eine hohe Quantenausbeute realisiert werden kann. Weiterhin weist das 2DEG eine hohe Elektronenbeweglichkeit, d.h. der erfindungsgemäße 2DEG-Photodetektor weist eine hohe Bandbreite auf.
Aufgrund der Ausschaltung von Oberflächenzuständen bei implantierten Photodetektoren kann ein kleiner Dunkelstrom realisiert werden.
In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung wird ein MSM-Detektor unter Beibehaltung von Metallfingern dahingehend weitergebildet, dass zwischen der
Absorberschicht und den Metallfingern (im Bereich der Finger) eine Deckschicht aus einem halbleitenden Material angeordnet wird, wobei die Bandlücke des halbleitenden Materials der Deckschicht höher als die Bandlücke des halbleitenden Materials der Absorberschicht ist, so dass ein Dunkelstrom effizient verringert werden kann. Dazu umfasst der erfindungsgemäße Detektor gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Trägersubstrat; eine Absorberschicht aus einem ersten halbleitenden Material; eine erste (vorzugsweise kammförmig) ausgebildete Elektrodenstruktur mit einer Vielzahl von Fingern, eine zweite (vorzugsweise kammförmig) ausgebildete Elektrodenstruktur mit einer Vielzahl von Fingern, wobei die Finger der ersten Elektrodenstruktur und die Finger der zweiten Elektrodenstruktur berührungslos ineinander greifen, einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, wobei der erste Kontakt vom zweiten Kontakt beabstandet ist, und wobei die Kontakte und die Finger ein Metall aufweisen oder durch ein Metall oder eine Metalllegierung ausgebildet sind, wobei zwischen den Fingern und der
Absorberschicht eine Deckschicht aus einem zweiten halbleitenden Material angeordnet ist, wobei die Deckschicht die Absorberschicht im Bereich der Finger direkt kontaktiert, und das erste halbleitende Material eine kleinere Bandlücke als das zweite halbleitende Material aufweist, wobei die Absorberschicht von der Deckschicht im Bereich zwischen den Fingern freigelegt, oder die Deckschicht alternativ (im Falle einer Implantation) die Absorberschicht sowohl im Bereich zwischen den Fingern als auch im Bereich der Finger überdeckt, wobei die Deckschicht (durch flache Ionenimplantation) derart ausgebildet ist, dass die Leitfähigkeit in der Deckschicht und im Bereich zwischen Deckschicht und Absorberschicht zerstört bzw. ausreichend herabgesetzt ist, also kleiner als 100 cm2/Vs beträgt.
Vorzugsweise sind der erste Kontakt (und die dazugehörige Elektrodenstruktur) und/oder der zweite Kontakt (und die dazugehörige Elektrodenstruktur) direkt auf der Deckschicht angeordnet und als Schottky- Kontakt ausgebildet. In einer alternativen
Ausführungsvariante ist einer der Kontakte (und die dazugehörige Elektrodenstruktur) als Schottky-Kontakt und der Kontakt (und die dazugehörige Elektrodenstruktur) als ohmscher Kontakt ausgebildet.
Vorzugsweise erstreckt sich die Absorberschicht über den gesamten Bereich der ersten und zweiten Elektrodenstruktur sowie des ersten und zweiten Kontakts. Vorzugsweise sind die Absorberschicht und/oder die Deckschicht aus undotierten halbleitenden
Materialien ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Absorberschicht aus Galliumnitrid, Indium-Galliumnitrid oder Aluminium-Galliumnitrid ausgebildet. Vorzugsweise ist die Deckschicht aus
Aluminiumgalliumnitrid ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Schutzschicht vorgesehen, die die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstruktur vollständig überdeckt. Vorzugsweise ist die Schutzschicht aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid oder Kombinationen dieser Materialien ausgebildet. Vorzugsweise weisen der erste Kontakt und/oder der zweite Kontakt ein Metall auf. Noch bevorzugter bestehen der erste Kontakt und/oder der zweite Kontakt aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Vorzugsweise weisen die Finger eine Länge zwischen 30 und 1000 μηι, bevorzugter zwischen 50 und 150 μηι auf. Vorzugsweise weisen die Finger eine Breite zwischen 2 und 30 μηι, bevorzugter zwischen 10 und 20 μηι auf. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den Fingern zwischen 2 und 15 μηι, bevorzugter zwischen 5 und 8 μηι.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Absorberschicht zwischen 0.1 und 10 μηι, bevorzugter zwischen 1 .0 und 5 μηι. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Deckschicht zwischen 2 und 100 nm, bevorzugter zwischen 10 und 30 nm. Die Anzahl der Finger je Elektrodenstruktur beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung zwischen 2 und 50, bevorzugter zwischen 3 und 10.
Vorzugsweise erstreckt sich die Absorberschicht über den gesamten Bereich der ersten und zweiten Elektrodenstruktur sowie des ersten und zweiten Kontakts. Vorzugsweise sind die Absorberschicht, die Decksicht (und ggf. die Schutzschicht) als planare Schichten mit uniformer Schichtdicke ausgebildet. Vorzugsweise sind die Absorberschicht und/oder die Deckschicht aus undotierten halbleitenden Materialien ausgebildet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen UV-Photodetektors,
Fig. 2a den UV-Photodetektor der Fig. 1 mit durch Ätzung strukturierter
Deckschicht in schematischer geschnittener Darstellung entlang der Schnittlinie A-A',
Fig. 2b den UV-Photodetektor der Fig. 1 mit durch Implantation strukturierter
Deckschicht in schematischer geschnittener Darstellung entlang der Schnittlinie A-A',
Fig. 3 eine Draufsicht eines weiteren Designs eines erfindungsgemäßen UV-
Photodetektors,
Fig. 4 die Empfindlichkeit des in Fig. 3 gezeigten Detektors in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Fig. 5 den Photostrom einer beispielhaften Ausführung des in Fig. 3 gezeigten
Detektors in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, Fig. 6 die zeitliche Auflösung des Photostroms des Ausführungsbeispiels des in Fig. 3 gezeigten Detektors bei optischem Schalten mit 10 Hz bei einer Wellenlänge von 345 nm,
Fig. 7 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen UV-Photodetektors gemäß
alternativen Ausführungsvariante,
Fig. 8a den UV-Photodetektor der Fig. 7 mit durch Ätzung strukturierter
Deckschicht in schematischer geschnittener Darstellung entlang der Schnittlinie A-A', und
Fig. 8b den UV-Photodetektor der Fig. 7 mit durch Implantation strukturierter
Deckschicht in schematischer geschnittener Darstellung entlang der Schnittlinie A-A'.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Fig. 1 , 2a und 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen UV- Photodetektors. Auf dem Substrat 10 wird eine (hier nicht gezeigte) Nukleationsschicht mit einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Auf dieser Nukleationsschicht wird eine undotierte 1 .6 μηι dicke GaN-Absorberschicht 12 aufgebracht. Danach wird auf der Absorberschicht 12 eine 20 nm dicke Deckschicht 30 aus undotiertem AIGaN mit einem Aluminiumgehalt von 25% aufgebracht. Sämtliche Schichten werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie aufgewachsen. Die Kontakte 26, 28 sind beispielsweise aus Titan, Aluminium oder einer Titan-Aluminium-Legierung ausgebildet. Die Ankontaktierung der Finger 18, 24 durch die metallhaltigen Kontakte 26, 28 erfolgt nur im Au ßenbereich der Finger 18, 24, z.B. im Bereich der Schienen 16, 22 (siehe Fig. 3). Die Finger 18, 24 weisen eine Länge von 70 μηι und eine Breite zwischen 10 und 20 μηι auf. Der Abstand benachbarter Finger beträgt zwischen 5 und 8 μηι.
Durch die zusätzliche fingerförmig strukturierte Deckschicht 30 wird in der Grenzschicht zwischen Absorberschicht 12 und Deckschicht 30 ein 2DEG erzeugt, das einen leitfähigen Kanal realisiert, wodurch auf die Verwendung von Metall in den Fingern 18, 24
erfindungsgemäß verzichtet werden kann. Dadurch werden die Abschattungseffekte verringert und die Empfindlichkeit des Detektors erhöht. Gleichzeitig wird der Dunkelstrom durch die fingerförmige Strukturierung der Deckschicht 30 reduziert. Die Struktur in der Deckschicht 30 kann durch Ätzung in den Bereichen zwischen den Fingern (Fig. 2a) oder durch Implantation in den Bereichen zwischen den Fingern (Fig. 2b) erzeugt werden. Mit anderen Worten ist das 2DEG lediglich in den Fingern, jedoch nicht zwischen den Fingern vorhanden. Weiterhin ist eine Schutzschicht 32 vorgesehen, die die Schichten 12 und 30 im gesamten photosensitiven Gebiet überdeckt.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen UV-Photodetektors. Während die Metallkontakte 26, 28 die Schienen in der Ausführungsvariante der Fig. 1 nahezu vollständig überdecken, sind die Schienen 16, 22 in der Ausführungsvariante der Fig. 3 nicht von den Metallkontakten 26, 28 überdeckt. Weiterhin ist es nicht zwingend erforderlich, die Metallkontakte 26, 28 symmetrisch zu den Elektrodenstrukturen 14, 20 anzuordnen. Die Schichtdicken und Materialien entsprechen denen der Fig. 1 . Die Finger 18, 24 weisen eine Länge von 70 μηι auf. Die Finger 18 der ersten Elektrodenstruktur weisen eine Breite von 20 μηι und die Finger 24 der zweiten Elektrodenstruktur weisen eine Breite von 10 μηι auf. Der Abstand benachbarter Finger beträgt 5 μηι und der Abstand zwischen den Fingerenden und der Schiene der jeweils anderen
Elektrodenstruktur beträgt 8 μηι. Das photosensitive Gebiet weist eine Fläche von 160 μηι x 100 μηι auf. Das sich an der Grenzfläche zwischen der Absorberschicht 12 und der Deckschicht 30 ausbildende 2DEG weist eine Ladungsträgerdichte von 8*1012 cm"2 und eine Elektronenmobilität von 1800 cm2/Vs auf.
Fig. 4 zeigt die Empfindlichkeit des in Fig. 3 gezeigten Detektors in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei einer optischen Eingangsleistung von 100 μW/ cm2. Es ist erkennbar, dass der UV-Photodetektor eine maximale Empfindlichkeit bei 312 nm (maximale
Empfindlichkeit beträgt 70 A/mW für eine Spannung von 100 V) und eine
Grenzwellenlänge von 365 nm aufweist, ab der die Empfindlichkeit stark abfällt. Der Kontrast der Empfindlichkeit für UV-Strahlung zur Empfindlichkeit für sichtbare VIS- Strahlung beträgt 104.
Fig. 5 zeigt den Photostrom des in Fig. 3 gezeigten Detektors in Abhängigkeit von der angelegten Spannung für unterschiedliche optische Eingangsleistungen zwischen 4 μW/ cm2 und 100 μW/ cm2 bei einer Wellenlänge von 355 nm. Da eine Sättigung des
Photostroms bei 80 V eintritt, kann ein optisches Schalten des Detektors auf einen bestimmten Photostrom bei höheren Spannungen durch die optische Eingangsleistung eingestellt werden. Da der Dunkelstrom im gezeigten Messbereich unter 50 nA liegt, kann ein UV Signal mit einem Kontrast von 5 Größenordnungen detektiert werden.
Fig. 6 zeigt die zeitliche Auflösung des Photostroms des in Fig. 3 gezeigten Detektors bei optischem Schalten mit 10 Hz bei einer Wellenlänge von 345 nm. Die Ansprechzeit des Photodetektors beträgt ca. 6 ms. Die Fig. 7, 8a und 8b zeigen einen erfindungsgemäßen UV-Photodetektor gemäß einer alternativen Ausführungsvariante. Während die UV-Photodetektoren der Fig. 1 bis 3 gerade auf Metallkontakte im Bereich der Finger 18, 24 vollständig verzichten, um Abschattungseffekte zu verringern, wird ein MSM-Detektor unter Beibehaltung von Metallfingern dahingehend weitergebildet, dass zwischen der Absorberschicht 12 und den Metallfingern 34 (d.h. das Metall befindet sich nicht nur im Bereich der Kontakte 26, 28, sondern auch im Bereich der Finger 18, 24) eine Deckschicht 30 aus einem halbleitenden Material angeordnet wird, wobei diese Deckschicht 30 fingerförmig strukturiert ist. Die Strukturierung der Deckschicht 30 kann durch Ätzung in den Bereichen zwischen den Fingern (Fig. 8a) oder durch Implantation in den Bereichen zwischen den Fingern (Fig. 8b) erzeugt werden. Mit anderen Worten ist die Deckschicht 30 lediglich in den Fingern, jedoch nicht zwischen den Fingern vorhanden. Daher bestehen die Finger in diesem Fall aus den Schichten 12, 30 und 34. Weiterhin ist eine Schutzschicht 32 vorgesehen, die die Schichten 12 und 30 im gesamten photosensitiven Gebiet überdeckt. Die Metallschicht 34 der Finger 18, 24 muss jedoch nicht notwendigerweise von der Schutzschicht 32 überdeckt werden.
Durch die fingerförmige Strukturierung der Deckschicht 30 wird die Leitfähigkeit in der Deckschicht 30 und im Bereich zwischen Deckschicht 30 und Absorberschicht 12 (zwischen den Fingern 18, 24) zerstört bzw. ausreichend herabgesetzt, so dass der Dunkelstrom des UV-Photodetektors im Vergleich zu einem herkömmlichen MSM- Detektor (ohne Deckschicht zwischen der Absorberschicht und den Metallfingern) vorteilhafterweise reduziert werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Trägersubstrat
12 Absorberschicht
14 (Kammförmig ausgebildete) erste Elektrodenstruktur
16 Schiene der ersten Elektrodenstruktur
18 Finger der ersten Elektrodenstruktur
20 (Kammförmig ausgebildete) zweite Elektrodenstruktur
22 Schiene der zweiten Elektrodenstruktur
24 Finger der zweiten Elektrodenstruktur
26 Erster Kontakt
28 Zweiter Kontakt
30 Deckschicht
32 Schutzschicht
34 Metallschicht
36 Implantationsbereich
A-A' Schnittlinie

Claims

Patentansprüche
1 . Photodetektor, aufweisend:
ein Trägersubstrat (10);
eine Absorberschicht (12) aus einem ersten halbleitenden Material;
eine erste Elektrodenstruktur (14) mit einer Vielzahl von Fingern (18),
eine zweite Elektrodenstruktur (20) mit einer Vielzahl von Fingern (24), wobei die
Finger (18) der ersten Elektrodenstruktur (14) und die Finger (24) der zweiten
Elektrodenstruktur (20) berührungslos ineinander greifen,
einen ersten Kontakt (26) und einen zweiten Kontakt (28), wobei der erste Kontakt (26) vom zweiten Kontakt (28) beabstandet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Finger (18) der ersten Elektrodenstruktur (14) und die Finger (24) der zweiten Elektrodenstruktur (20) eine Deckschicht (30) aus einem zweiten halbleitenden Material aufweisen, wobei die Deckschicht (30) auf der Absorberschicht (12) angeordnet ist und die Absorberschicht (12) im Bereich der Finger (18, 24) direkt kontaktiert, und das erste halbleitende Material und das zweite halbleitende Material derart ausgebildet sind, dass sich an der Grenzschicht zwischen der Absorberschicht (12) und der Deckschicht (30) im Bereich der Finger (18, 24) ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet.
2. Photodetektor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Finger (18, 24) der ersten und zweiten Elektrodenstrukturen (14, 20) kein Metall aufweisen.
3. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontakt (26) und/oder der zweite Kontakt (28) durch ein Metall, verschiedene Metallschichten oder durch eine Metalllegierung ausgebildet sind.
4. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschicht (30) über der Absorberschicht (12) oder unter der Absorberschicht (12) angeordnet ist. Photodetektor, aufweisend:
ein Trägersubstrat (10);
eine Absorberschicht (12) aus einem ersten halbleitenden Material;
eine erste Elektrodenstruktur (14) mit einer Vielzahl von Fingern (18),
eine zweite Elektrodenstruktur (20) mit einer Vielzahl von Fingern (24), wobei die
Finger (18) der ersten Elektrodenstruktur (14) und die Finger (24) der zweiten
Elektrodenstruktur (20) berührungslos ineinander greifen,
einen ersten Kontakt (26) und einen zweiten Kontakt (28), wobei der erste Kontakt (26) vom zweiten Kontakt (28) beabstandet ist, und wobei die Kontakte (26, 28) und die Finger (18, 24) ein Metall (34) aufweisen oder durch ein Metall (34) oder eine Metalllegierung ausgebildet sind, wobei
zwischen den Fingern (18, 24) und der Absorberschicht (12) eine Deckschicht (30) aus einem zweiten halbleitenden Material angeordnet ist, wobei die Deckschicht (30) die Absorberschicht (12) im Bereich der Finger (18, 24) direkt kontaktiert, und das erste halbleitende Material eine kleinere Bandlücke als das zweite
halbleitende Material aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absorberschicht (12) von der Deckschicht (30) im Bereich zwischen den Fingern (18, 24) freigelegt ist, oder dass die Deckschicht (30) die Absorberschicht (12) sowohl im Bereich zwischen den Fingern (18, 24) als auch im Bereich der Finger (18, 24) überdeckt, wobei das erste halbleitende Material und/oder das zweite halbleitende Material im Bereich zwischen den Fingern (18, 24) derart ausgebildet sind, dass die Elektronenbeweglichkeit an der Grenzschicht zwischen der Absorberschicht (12) und der Deckschicht (30) im Bereich zwischen den Fingern (18, 24) kleiner als 100 cm2/Vs beträgt.
Photodetektor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontakt (26) und/oder der zweite Kontakt (28) direkt auf der Deckschicht (30) angeordnet und als Schottky-Kontakt (26, 28, 34) ausgebildet sind.
Photodetektor nach mindestens einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Finger (18, 24) direkt auf der Deckschicht (30) angeordnet und als Schottky- Kontakt (30, 34) ausgebildet sind. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absorberschicht (12) aus Galliumnitrid, Indium-Galliumnitrid oder Aluminium- Galliumnitrid ausgebildet ist und/oder die Deckschicht (30) aus
Aluminiumgalliumnitrid ausgebildet ist.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Schutzschicht (32) vorgesehen ist, wobei die Schutzschicht (32) die erste Elektrodenstruktur (14) und die zweite Elektrodenstruktur (20) vollständig überdeckt.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Finger (18, 24) eine Länge zwischen 30 und 1000 μηι, eine Breite zwischen 2 und 30 μηι aufweisen und/oder der Abstand zwischen den Fingern zwischen 2 und 15 μηι beträgt.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke der Absorberschicht (12) zwischen 0.1 und 10 μηι und die Dicke der Deckschicht (30) zwischen 2 und 100 nm beträgt.
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